[發明專利]利用激光光譜測量燃燒流場物質組分濃度的方法和裝置

有效

• 申請號: 201910143496.0
• 申請日: 2019-02-26
• 公開（公告）號: CN110082342B
• 公開（公告）日: 2021-12-07
• 發明（設計）人: 李博;朱志峰;高強;張大源
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G01N21/71
• 分類號: G01N21/71
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 劉國威

本發明涉及燃燒流場物質組分濃度測量，為實現多組分、實時、在線、精確的一維組分濃度精確測量，空間分辨率好；測量范圍廣。為此，本發明利用激光光譜測量燃燒流場物質組分濃度的方法和裝置，利用飛秒激光自聚焦成絲效應，將絲引入已知組分濃度的燃燒流場，并與流場中分子、原子相互作用并發射譜線，光譜譜線通過光譜儀分光經由帶有像增強功能的ICCD相機記錄并傳輸到計算機，得到組分濃度信息及當量比與光譜譜線強度比值之間的關系，得到標定曲線；之后將等離子體絲引入待測燃燒流場，并與流場中分子、原子相互作用并發射譜線，與標定曲線進行對照得到燃燒流場一維的濃度分布與當量比信息。本發明主要應用于燃燒流場物質組分濃度測量。

技術領域

本發明涉及燃燒流場物質組分濃度測量技術，具體涉及利用激光光譜測量燃燒流場物質組分濃度的方法。

背景技術

流場之中物質的組分以及對應的組分濃度是研究流場運動的重要參量。對于燃燒流場，燃燒過程的組分濃度和燃空當量比(實際的燃料和氧化劑的質量比除以完全燃燒時燃料和氧化劑的質量比)是混合燃氣系統中的一個重要參量，實時準確地獲取組分濃度和當量比對于研究混合燃氣的預混、擴散、點火以及仿真分析等具有重要的意義。目前，對于流場物質的組分濃度和當量比的測量主要有非光學手段和光學手段。

非光學的測量手段包括直接測量燃料、氧化劑的比率和測量尾氣的氣體成分。采用直接測量手段時，在燃料的消耗不是很大的情況下會造成比較大的誤差。而采用尾氣測量手段，需要增加一些額外的裝置如氣體傳感器和分析器，價格比較昂貴。而且上述方法不能實時地測量得到流場不同位置的濃度信息。激光診斷技術作為一種非介入式光學手段，與擁有無干擾、高分辨率、高精度、可視化等優勢，日益成為研究燃燒流場組分分布以及濃度的重要手段之一。

光學手段測量燃燒流場的組分濃度和當量比主要方法有拉曼散射[1]等，激光誘導熒光[2](Laser Induced Fluorescence，LIF)，可調諧半導體激光吸收光譜[3](TunableDiode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS)，激光誘導擊穿光譜技術[4](Laser-Induced Breakdown Spectroscopy，LIBS)。采用拉曼散射法測量濃度時，信噪比不是很高，靈敏度較差，要想實現較好的測量效果需要激光器提供較高的功率。采用激光誘導熒光光譜技術測量燃燒場濃度時，又會遇到入射光能量衰減和熒光猝滅等問題對定量標定造成影響，而且對激光器輸出波長有嚴格的要求。采用可調諧半導體激光吸收光譜進行測量時有兩種方法：直接吸收光譜測量方法和波長調制光譜測量方法。直接吸收光譜測量方法信噪比較小，受系統噪聲和外部因素的影響較大，在氣體壓強較高或者氣體的吸收度較小時，無法實現參考信號的精確調整，會引起較大的測量誤差；波長調制光譜測量方法需要復雜的標定過程，且依賴很多的參數，參數會對標定的精確度產生影響。

激光誘導擊穿光譜技術(LIBS)是一種原子光譜分析技術。它利用高強度脈沖激光聚焦產生瞬態等離子體，通過分析等離子體中原子和離子發射光譜譜線的位置及信號強度來獲取物質的成分和濃度信息。該方法實驗系統簡單，分析速度快，靈敏度高，對激光器的要求也較低，可以實現多組分、實時、在線、原位的精確測量。但是，傳統激光誘導擊穿光譜技術使用的是納秒激光，納秒激光經過聚焦透鏡聚焦后會形成一個點，因此，納秒激光誘導擊穿光譜技術只能實現零維點測量，該方法測量時空間分辨率不高，并且測量時會有激光軔致輻射的干擾。

[1]劉建勝,劉晶儒.利用拉曼散射測量燃燒場的組分濃度及溫度[J].光學學報,2000,20(9):1263-1267.

[2]于欣,彭江波,楊振,李曉暉,樊榮偉,陸威,陳德應,李旭東,董志偉,張亞麗,賈博陽.基于平面激光誘導熒光成像裝置及利用該裝置獲取OH濃度空間分布的方法[P].黑龍江：CN103344619A,2013-10-09.

[3]孫靈芳,于洪.基于TDLAS技術的在線多組分氣體濃度檢測系統[J].儀表技術與傳感器,2017(03):73-77.